Nanomateriali polimerici nell’elettronica flessibile: una panoramica Leave a comment


Considera tutti i dispositivi elettronici che possiedi in questo momento. Ogni volta che ti rendi conto di aver dimenticato di caricare il tuo dispositivo, immagina di poter caricare lo stesso dispositivo mentre cammini o fai jogging.

Nanomateriali polimerici nell'elettronica flessibile: una panoramica

Immagine di credito: Shawn Hempel/Shutterstock.com

Immagina uno smartphone o un laptop leggero come una piuma e completamente pieghevole. Sebbene ciò possa sembrare inverosimile, le innovazioni nell’elettronica flessibile stanno dando vita a queste possibilità.

L’idea di un’elettronica flessibile esiste da molto tempo. Tuttavia, la crescente domanda di dispositivi leggeri e indossabili ha creato enormi progressi nello sviluppo di materiali flessibili o che possono essere semplicemente fabbricati su un substrato flessibile.

L’elettronica tradizionale a base di silicio e i materiali inorganici sono comunemente rigidi e fragili, non adatti per l’elettronica flessibile. Gli ossidi metallici, come l’ossido di stagno indio e l’ossido di stagno drogato con fluoro, sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni optoelettroniche a causa della loro trasparenza e conduttività, sebbene la loro natura fragile ne limiti la flessibilità.

Nanomateriali polimerici: nuova classe di materiali

Una nuova classe emergente di materiali chiamati nanomateriali polimerici sono meccanicamente flessibili, conduttivi, biocompatibili e in grado di autoripararsi. Le nanoparticelle polimeriche sono classificate in base alla loro conduttività elettrica; questa funzione determina direttamente le direzioni dell’applicazione. I polimeri conduttivi includono poliacetilene (PA), polianilina (PANi), polipirrolo (PPy), politiofene (PTh) e poli (3,4-etilendiossitiofene): polistirene solfonato (PEDOT: PSS) e il polimero dielettrico include polivinilalcol (PVA), polidimetilsilossae (PDMS), polilattide (PLA), policaprolattone (PCL).

Recenti sviluppi

A causa della crescente domanda di monitor sanitari, c’è una notevole necessità di dispositivi bioelettronici leggeri e indossabili per ridurre al minimo ulteriori problemi di salute. Uno degli esempi più importanti è il pacemaker.

Un pacemaker cardiaco non è altro che un miracolo per le persone che soffrono di malattie cardiovascolari. Tuttavia, i normali pacemaker alimentati a batteria hanno una durata limitata e per sostituire il dispositivo è ancora necessario un intervento chirurgico aggiuntivo, il che rappresenta un rischio significativo per i pazienti. Per superare questo problema, la prof.ssa Sara Azimi e un team di scienziati dell’Università di Kashan, in Iran, hanno sviluppato un nanogeneratore piezoelettrico flessibile autoalimentato (PNG) a base di poli(vinilidenfluoruro) e ossido di grafene ridotto.

Hanno implementato il PNG su un animale modello e hanno riferito che potrebbe raccogliere con successo

0,487 μJ da ogni battito cardiaco. Questa energia è convenientemente più grande dell’energia della soglia di stimolazione per il cuore umano. Inoltre, il loro PNG ha mostrato un’eccellente biocompatibilità e flessibilità

Inoltre, il prof. Roger e il team di ricercatori della Northwest University hanno segnalato un dispositivo biocompatibile e flessibile sulla superficie di un sottile foglio di polidimetilsilossano (PDMS). Ha un substrato in PVA idrosolubile progettato per misurare i segnali elettrici prodotti dal cuore, dal cervello e dai muscoli scheletrici. Il dispositivo può essere facilmente montato sulla pelle e rimosso.

Le pellicole conduttive trasparenti (TCF) sono ampiamente applicate nelle moderne applicazioni optoelettroniche come celle solari, diodi organici a emissione di luce (OLED) e pannelli tattili. Tuttavia, l’ossido di indio e stagno (ITO) ha limitato l’ulteriore applicazione di TCF nei dispositivi flessibili di prossima generazione.

Per affrontare questo problema, il prof. Guo ei suoi colleghi hanno utilizzato un processo di rivestimento dell’asta Mayer per creare un composito di nanofili d’argento (AgNW)-PEDOT:PSS per elettrodi trasparenti flessibili (FTE). A causa della sua superiore conduttività, stabilità e trasparenza ottica, il PEDOT è comunemente impiegato nei dispositivi solari.

Gli FTE compositi AgNW-PEDOT:PSS hanno mostrato eccellenti caratteristiche optoelettriche, con una resistenza del foglio di 12/sq e una trasmittanza del 96% a 550 nm. Il nuovo AgNW-PEDOT:PSS composito FTE potrebbe essere un sostituto promettente per ITO fragile e costoso nei touch panel flessibili.

Il corpo umano è un’abbondante fonte di energia. È possibile raccogliere energia dalle attività umane di base, come fare jogging, camminare, correre e svolgere attività quotidiane. Una di queste schede indossabili è stata sviluppata da un team di ricercatori dell’Università di Buffalo e dell’Accademia cinese delle scienze.

Hanno sviluppato un nanogeneratore triboelettrico (TENG) basato su PDMS di 1,5 cm di lunghezza e 1 cm di larghezza in grado di generare elettricità da semplici movimenti del corpo, come la flessione di un dito. TENG promette una tensione massima di 124V e una corrente massima di 10A, aprendo la strada alla creazione di dispositivi più piccoli per future applicazioni di elettronica e optoelettronica indossabili e autoalimentate.

Sfide

Sebbene l’elettronica flessibile a base di polimeri sia una tecnologia in rapida crescita, la sua biocompatibilità e biodegradabilità sono alcune delle sfide più grandi. Ad esempio, l’elettronica flessibile basata su PDMS sta mostrando soluzioni promettenti in optoelettronica, bioelettronica e raccolta di energia. Tuttavia, la biodegradabilità del PDMS è un problema importante che limita notevolmente le sue applicazioni. Tuttavia, c’è sempre spazio per migliorare scoprendo soluzioni migliori e più appropriate.

Il futuro dell’elettronica flessibile

Con lo sviluppo crescente e le nuove scoperte, l’elettronica indossabile e flessibile sarà presto integrata in parti essenziali della vita quotidiana.

Il mondo medico vedrà molti dispositivi innovativi come la pelle elettronica, i circuiti flessibili nelle lenti a contatto e i monitor sanitari nel prossimo futuro. I consumatori possono vedere la tecnologia solare stampabile sui vestiti che potrebbe ricaricare le batterie del telefono e del laptop. L’era dell’elettronica flessibile è reale, ed è qui per restare.

Continua a leggere: L’elettronica flessibile realizzata in grafene.

Riferimenti e approfondimenti

Azimi, S. et al. (2021) Pacemaker cardiaco autoalimentato mediante impianto di nanogeneratore di polimeri piezoelettrici. Nano energia, 83, [105781]. Disponibile a: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521000392?via%3Dihub

Kim, D. et al. (2011) Elettronica epidermica. Scienza 333, 843. Disponibile presso: https://www.science.org/doi/10.1126/science.1206157

H Yang | et al. (2019) Facile fabbricazione di nanofili d’argento su larga scala-PEDOT: elettrodi trasparenti compositi flessibili PSS per pannelli tattili flessibili madre. Ris. Esprimere 6 086315 Disponibile presso: https://www.science.org/doi/10.1126/science.1206157

Chen, H. et al. (2018) Nanogeneratore triboelettrico indossabile e robusto basato su pellicole d’oro accartocciate. nanoenergia, 46, 73-80. Disponibile a: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518300405?via%3Dihub

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